近日，中國科學技術(shù)大學教授徐寧課題組在二維固體熔化研究中取得新進展，他們發(fā)現(xiàn)密度是影響二維軟芯膠體體系六角相-液體相變本質(zhì)的重要因素，該研究成果在線發(fā)表于8月15日的《物理評論快報》[Phys. Rev. Lett. 117, 085702(2016)]。論文第一作者是課題組的博士研究生祖夢婕。
在二維體系中，橫向漲落隨著系統(tǒng)增大而對數(shù)增長，從而導(dǎo)致二維晶體結(jié)構(gòu)的破壞，因此，二維體系在熱力學極限下不存在嚴格意義上的晶體，二維固體的熔化也會相應(yīng)地呈現(xiàn)出與三維固體的差異。上世紀70年代，Kosterliz、Thouless、Halperin、Nelson和Young發(fā)展了KTHNY理論來描述二維固體的熔化。根據(jù)該理論，二維固體在熔化過程中會出現(xiàn)一個中間態(tài)：六角相（hexatic phase），二維固體熔化是個兩步過程，固體到六角相和六角相到液體的相變都是連續(xù)相變，分別對應(yīng)著位錯對和旋錯對的分解。隨后的大量實驗和模擬工作都證實了六角相的存在和二維固體的兩步熔化。但是，近期的一些研究表明，六角相到液體的相變并不完全像KTHNY理論預(yù)言的那樣是連續(xù)相變。例如，剛性粒子呈現(xiàn)的是一級相變，隨著粒子變軟，會出現(xiàn)由一級相變到連續(xù)相變的轉(zhuǎn)變。二維固體的熔化由于其復(fù)雜性，一直是軟凝聚態(tài)物理領(lǐng)域研究的一項熱門內(nèi)容。
徐寧課題組長期關(guān)注軟芯膠體體系的相變與自組裝。軟芯膠體顆粒形成的固體具有一個最大的熔化溫度，從而導(dǎo)致可重入熔化（reentrant melting），即在溫度恒定（低于最大熔化溫度）增大密度的過程中，液體會凝結(jié)成固體并且在更高的密度處再次熔化成液體。該課題組發(fā)現(xiàn)，二維軟芯膠體固體的熔化由于存在可重入熔化特性而表現(xiàn)出非常有趣的行為。最大熔化溫度所對應(yīng)的臨界密度是一個分水嶺，低于臨界密度時，六角相-液體相變呈現(xiàn)出一級相變特性，六角相和液相會共存，該共存區(qū)隨著靠近臨界密度而縮小，并在臨界密度處消失；高于臨界密度時，六角相-液體相變始終是連續(xù)的。因此，最大熔化溫度是六角相-液體相變由不連續(xù)到連續(xù)的轉(zhuǎn)變點。非連續(xù)六角相-液體相變的起因目前還沒有理論解釋，該工作表明，密度是影響二維軟芯膠體體系六角相-液體相變本質(zhì)的重要因素，非連續(xù)相變的出現(xiàn)并不依賴于系統(tǒng)，而可能依賴于距離剛性粒子極限的遠近。
該研究工作豐富了人們對二維固體熔化的認識，為進一步探討二維固體熔化機理提供了新的素材。審稿人認為該工作“令人驚訝，是該領(lǐng)域的重要進展”。
上述研究得到了國家自然科學基金委、科技部和教育部的支持。
二維軟芯膠體體系熔化的溫度-密度相示意圖及不同狀態(tài)的圖示
